[发明专利]一种数字输出恒电位仪

说明书

技术领域

本发明涉及电路参数测量设备，特别涉及一种数字输出恒电位仪。

背景技术

目前电化学传感器的恒电位仪大多采用运算放大器、电阻、电容等分立元件组成，采用这种方法搭建的恒电位仪抗干扰性能差，容易受到外界环境噪声影响，而且体积大，限制了检测系统的精度和集成度。

随着微械系统（MEMS）和微电子技术的发展，越来越多的微型电化学传感器应用于生物信号检测、水质监测等领域，相应的单片集成的恒电位仪也受到研究者的青睐。目前的单片集成恒电位仪可以分为模拟输出和数字输出两种类型。由于传感器的应用通常要用到计算机、微处理器和其他的一些数字器件，因此有必要实现传感器的数字化输出，这样集成的数字传感器不仅提供了更多的功能，而且降低了整个系统的成本。目前的数字输出恒电位仪几乎都是采用跨阻放大器将传感器电流转化为电压，然后通过后续的逐次逼近型 ADC（SAR ADC）或Sigma-dleta ADC将模拟电压转化为数字量。但跨阻放大器存在的问题是当信号频率高时，运算放大器增益下降而导致输入电阻升高，这对于输出阻抗较高的电化学传感器是无法接受的。另外，由于MEMS电化学传感器产生的电流通常为nA，甚至pA量级，在跨阻放大器中需要几兆或几十兆的电阻，这么大的电阻在IC工艺中需要很大的芯片面积，因此并不适合于单芯片集成。另外，将电流转化为电压，然后再通过ADC进行模数转换的方式电路结构经过了两步转换，电路复杂度高，SAR ADC或Sigma-Delta ADC都会占用很大的芯片面积。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供了具有一种数字输出恒电位仪。

一种数字输出恒电位仪，包括依次级联的电化学传感器模块、电流采样电路、电流积分模块、电压积分模块、比较触发模块以及计数器模块；所述电流采样电路包括第一电流镜、第二电流镜以及第三电流镜，所述第一电流镜连接在所述电化学传感器模块以及所述电流积分模块之间；所述第二电流镜用于将参考电流与采样电流正向叠加；所述第三电流镜用于将所述参考电流与所述采样电流反向叠加；所述第二电流镜与所述第三电流镜受所述比较触发模块控制。

进一步的，所述第一电流镜包括第一MOS管以及第二MOS管；所述第一MOS管以及第二MOS管的栅极连接所述电化学传感器的输出端；所述第一MOS管以及第二MOS管的源极连接电源；所述第一 MOS管的漏极连接所述电化学传感器的输出端；所述第二MOS管的漏极连接所述电流积分电路。

针对上述恒电位仪的进一步具体化，所述第二电流镜包括第三MOS管、第四MOS管以及第五MOS管；所述第三MOS管以及第四MOS管的源极连接电源、所述第三MOS管以及第四MOS管的栅极接入参考电流；所述第三MOS管的漏极接其栅极，所述第五MOS管的源极连接所述第四MOS管的漏极、栅极连接所述比较触发模块的输出端、漏极连接所述电流积分模块。

针对上述恒电位仪的进一步具体化，所述第三电流镜包括第六MOS管、第七MOS管以及第八MOS管；所述第六MOS管的栅极、漏极以及第七MOS管的漏极接入参考电流；所述第六MOS管以及第七MOS管的源极接地；所述第八MOS管的源极连接所述第七MOS管的漏极、栅极连接所述比较触发模块的输出端、漏极连接所述电流积分模块。

优选的，所述第三电流镜还包括与所述第六MOS管构成电流镜的第九MOS管；所述第九MOS管为所述第二电流镜提供电流源。

另外，所述电流积分模块和所述电压积分模块之间设有电荷缓存电路；所述电荷缓存电路用于缓存在第一时间段内所述电流积分模块输出的电荷，并将该部分电荷在第二时间段内输入到所述电压积分模块中。所述电荷缓存电路包括第一电容、在第一时序信号控制下的第一开关、第二开关以及在第二时序控制下的第三开关第四开关；所述第一开关一端连接所述电流积分模块的输出端，另一端依次连接所述第一电容以及第二开关后接地；所述第三开关一端接地，另一端连接所述第一电容与所述第一开关之间的节点；所述第四开关一端连接所述电压积分模块，另一端连接所述第一电容与所述第二开关之间的节点。

进一步的，所述电流积分模块包括在第一时序信号控制下的第五开关、在第二时序信号控制下的第六开关和第七开关、第一运放以及积分电容；所第五开关连接在所述第一运放的反相输入端以及电流采样电路之间；所述第六开关连接在所述第一运放的正相输入端以及电流采样电路之间；所述积分电容与所述第七开关并联，且两端分别连接在所述第一运放的反相输入端以及输出端之间；所述第一运放的正相输入端接地。